ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC CẤP CHO DÂN
CƯ VÙNG VEN BIỂN VÀ HẢI ĐẢO

PGS. TS. TRẦN ĐỨC HẠ
Viện Khoa học và kỹ thuật môi trường (IESE) - Trường Đại học Xây dựng

Tóm tắt:
Sự cạn kiệt nhanh chóng nguồn nước ngọt trên hành tinh bắt nguồn từ sự tăng dân số, biến
đổi khí hậu,… Đảm bảo cấp nước sinh hoạt ổn định và an toàn cho dân cư vùng ven biển và hải đảo là rất
cần thiết, đặc biệt là các nước ven biển như Việt Nam. Bài báo giới thiệu một số công nghệ khử mặn để xử
lý nước biển thành nước cấp ăn uống. Sự phát triển của công nghiệp vật liệu nano mở ra khả năng ứng
dụng lọc màng nano (NF) để cấp nước cho dân cư vùng ven biển và hải đảo. Một số công nghệ xử lý nước
biển có sử dụng màng lọc nano cũng được giới thiệu trong bài báo này.
1. Yêu cầu đảm bảo an toàn cấp nước sinh hoạt cho dân cư vùng ven biển và hải đảo
Nước ngọt là nhu cầu không thể thiếu được trong đời sống con người. Việc cung cấp đầy đủ nước
sạch đảm bảo chất lượng và số lượng luôn là thách thức đối với các quốc gia. Nhu cầu dùng nước
trong quá trình phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam đang tăng mạnh. Hiện nay, dân số nước ta đã
vượt qua con số 80 triệu người. Theo ước tính, lượng nước ngọt cần dùng vào năm 2010 sẽ là 130 tỷ
m
3
. Mức này gần tương đương với nguồn nước vào mùa khô trên các lưu vực sông của cả nước. Như
vậy, việc thiếu nước ngọt đã rất rõ ràng. Nước sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỷ lệ khoảng 2% so với
tổng nhu cầu. Nếu đối chiếu với tiêu chuẩn thiếu nước của Tổ chức Khí tượng thế giới và của
UNESCO, năm 2010 nhiều vùng ở Việt Nam thiếu nước ở mức từ trung bình đến gay gắt, đặc biệt
trong các tháng mùa khô. Bên cạnh đó, mục tiêu trong Chiến lược Quốc gia về cấp nước sạch và vệ
sinh nông thôn theo Quyết định số 104QĐ/TTG ngày 25/08 /2000 của Thủ tướng Chính phủ đặt ra
đến 2020 là “tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất
60 lít/người/ngày”. Đây là nhiệm vụ nặng nề và khó khăn đối với một nước đang phát triển như Việt
Nam.
Tài nguyên nước mặt phân bố không đều trong lãnh thổ và biến đổi mạnh theo thời gian, do đó

hoạt động phát triển và quản lý tài nguyên nước cho một giai đoạn theo quan điểm của Nhà nước về
phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường nhằm tạo bước chuyển đổi cơ bản cho hoạt động quản
lý, bảo vệ và phát triển tài nguyên nước.
Từ những yếu tố trên, cần thiết phải tìm một nguồn tài nguyên nước ổn định để cấp nước sinh hoạt
cho nhân dân vùng ven biển và hải đảo. Nguồn tài nguyên ổn định và phong phú nhất vẫn là nước
biển. Tìm kiếm công nghệ và triển khai lắp đặt các công trình, thiết bị xử lý nước biển và nước lợ để
cung cấp nước cho các cụm dân cư, đô thị,… ven biển và hải đảo là một nhiệm vụ cấp bách và cần
thiết, đặc biệt là trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay.
2. Các công nghệ ngọt hóa nước biển để cấp nước cho sinh hoạt
Trên trái đất, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc
phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế. Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5%
nước trên trái đất là nước biển và không hơn 2,5% là nước ngọt. Ngoài ra, phần lớn nước ngọt được
dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất. Nước mà con người có thể sử dụng dễ dàng
như nước trong sông, hồ, chỉ chiếm khoảng 0,01% tổng lượng nước ngọt. Trong khi đó, dân số toàn
cầu tăng tới tám tỷ vào năm 2025. Gần 3,5 tỷ người trong số này sẽ đối mặt với tình trạng thiếu nước.
Độ mặn của nước biển có không đồng đều trên toàn thế giới, mặc dù phần lớn nằm trong khoảng từ
3,1% đến 3,8%. Nước biển khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng
đang tan chảy thì nhạt đi một cách đáng kể. Thành phần nước biển trên trái đất theo các nguyên tố
được nêu trong bảng 1.

Bảng 1.
Thành phần các nguyên tố chính trong nước biển
Nguyên tố Phần trăm Nguyên tố Phần trăm
Ôxy 85,84 Hiđrô 10,82
Clo 1,94 Natri 1,08
Magiê 0,1292 Lưu huỳnh 0,091
Canxi 0,04 Kali 0,04
Brôm 0,0067 Cacbon 0,0028
(Nguồn: vi.wikipedia.org/wiki)
Ở Việt Nam, theo các số liệu khảo sát năm 2002 của Trần Đức Hạ và các cộng sự thuộc IESE, một

nhận các công nghệ khử mặn, trước hết là để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt. Khử mặn (
desalination
)
là quá trình loại bỏ các muối hòa tan và các chất khác có trong nước biển, nước lợ hay nước ngầm
hoặc nước mặt bị nhiễm mặn. Dựa vào công nghệ và mục đích xử lý nước, quá trình khử mặn có thể
đạt được nước có chất lượng dùng cho sinh hoạt, công nghiệp hay tưới tiêu.
Ngành công nghiệp khử nước mặn đã trở thành một ngành thương mại từ những năm 1960. Do giảm
được nhiều về giá thành và tăng hiệu quả, đặc biệt trong những năm 1970 công việc khử mặn, trong đó
màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển đã trở thành một chiến lược và là nguồn
cung cấp nước đáng tin cậy để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt.
Hiện nay ước tính toàn cầu có hơn 12.000 nhà máy xử lý nước biển và nước lợ ở 140 quốc gia, với
tổng công suất lên tới 40 triệu m
3
/ngày. Trong đó xử lý nước biển chiếm 57.4% (WHO, 2008). Công

suất khử mặn trên thế giới đạt gần 9,6 tỷ m
3
, trong đó các nước thuộc Hội đồng Hợp tác Vùng vịnh
(GCC) như Ả Rập, Cô Oét, Tiểu Vương quốc Ả Rập thống nhất, Bahrain, Qatar và Oman chiếm 47%
tổng công suất.
Trong xử lý nước cấp cho sinh hoạt từ nguồn nước tự nhiên, những vật liệu lọc như cát, sỏi,… chỉ
giúp ta khử bỏ những chất bẩn thô, những hạt huyền phù và một phần nhỏ các hợp chất đã kết tủa như
sắt, mangan, còn chất độc hại hòa tan trong nước thì hầu như không lọc được. Sau này, những vật liệu
khác như gốm, than hoạt tính, nhựa polypropylene, nhựa trao đổi ion, xuất hiện đã giúp cho việc lọc
nước đạt hiệu quả hơn nhiều. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng ở mức độ giữ lại các hạt chất bẩn có kích
thước nhỏ. Đối với vi khuẩn và các chất rắn hòa tan, các loại vật liệu lọc truyền thống không thể giữ
lại được.
Do những hạn chế của các vật liệu lọc trên đã xuất hiện các phương pháp xử lý nước bằng màng
lọc. Lọc màng là một trong những kỹ thuật khá mới được phát triển và ứng dụng trong công nghệ xử
lý nước tự nhiên và nước thải trong gần 30 năm trở lại đây. Phương pháp lọc màng có nhiều ưu điểm

chất lượng theo yêu cầu, sản phẩm nước đã qua xử lý RO phải được bổ sung thêm các chất dinh
dưỡng cần thiết.
Trong hơn 30 năm qua các nước thuộc GCC đã tiến hành xây dựng và mở rộng các nhà máy khử
mặn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên. Hiện nay, có 6 quốc gia đã xây dựng được 36 nhà
máy lớn để khử mặn nước biển và nước lợ: 21 nhà máy nằm trên bờ biển Đỏ và 15 nhà máy trên vùng
vịnh. Sản lượng chung của các nhà máy khử mặn ở các quốc gia thuộc GCC tăng từ 1,5 tỷ m
3
trong
năm 1990 lên 2,7 tỷ m
3
năm 2000, do các nhà máy đã được bổ sung và mở rộng. Năm 2001 chỉ riêng
công suất của một nhà máy ở Ả Rập Saudi đã đạt hơn 1 tỷ m
3
, đây là nhà máy khử mặn lớn nhất thế
giới. Hơn 85% các nhà máy khử mặn thuộc GCC sử dụng các hệ thống chưng cất nhanh nhiều tầng
(MSF). Các hệ thống này có hai tác dụng, vừa có thể sản xuất nước và điện. Phần lớn các nhà máy
còn lại dựa trên công nghệ sử dụng các màng lọc thẩm thấu ngược (RO).
Năm 2005, Singapore đã khánh thành nhà máy lọc nước biển thành nước sinh hoạt trị giá 200 triệu
USD, có thể cung cấp đến 10% nước cho nhu cầu hàng ngày của người dân Singapore (tương đương
với 136 ngàn m
3
nước/ngày). Giá nước sản xuất từ nhà máy là 0,45 cent Mỹ/m
3
, bằng khoảng 1/2 giá
nước ở những nhà máy lọc nước biển khác. Nhà máy vừa khánh thành sẽ là nguồn cung cấp nước thứ
4 cho Singapore, bên cạnh sông hồ tự nhiên, nước nhập khẩu và nước xử lý theo công nghệ NEWater.
Công nghệ màng lọc chiếm ưu thế trong các công nghệ xử lý nước biển. Ở các khu vực như Bán
đảo Ả Rập hay vùng Caribe, giá thành của nước sau xử lý bằng công nghệ màng và công nghệ truyền
thống tương đương nhau từ những năm 1980.
Đối với phương pháp chưng cất, nước biển được đun nóng, áp lực được hạ thấp để nước biến

bàn giao và đưa vào vận hành thiết bị xử lý nước biển thành nước ngọt đáp ứng tiêu chuẩn của Bộ Y
tế về nước sinh hoạt công suất 300 lít nước ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng. Thiết bị làm việc dựa trên
nguyên lý RO với màng lọc của Mỹ. Dưới áp lực phù hợp, nước biển sẽ được tách thành phần nước
ngọt sạch và hàm lượng hoà tan thấp thẩm thấu qua màng. Nước có hàm lượng chất rắn hoà tan cao sẽ
được dẫn ra ngoài. Tiếp đó, nước ngọt sẽ được dẫn qua hệ thống tia cực tím UV và vào bồn chứa sử
dụng. Toàn bộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút.
Mặc dù đã có một số nghiên cứu ứng dụng lọc màng để xử lý nước biển thành nước sinh hoạt,
nhưng các nghiên cứu này dừng ở mức thử nghiệm và quy mô nhỏ. Mặt khác các thiết bị ngọt hóa
nước biển hiện nay triển khai ở Việt Nam dựa trên nguyên tắc chưng cất hoặc màng lọc RO. Các
phương pháp chưng cất khó triển khai vì thiết bị cồng kềnh và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết;
phương pháp RO tốn kém về năng lượng và tuổi thọ màng không cao.
3. Nghiên cứu ứng dụng màng lọc nano (NF) vào quá trình khử mặn nước biển để cấp nước sinh
hoạt vùng ven biển và hải đảo
Với công nghệ RO như hiện nay, để xử lý nước biển với nồng độ muối 35.000 mg/L thành nước đạt
yêu cầu dùng cho sinh hoat (nồng độ muối không vượt quá 250 mg/L) thì cần cung cấp áp lực tổng
cộng là 60 -100 atm. Công nghệ RO do đó có chi phí đầu tư, vận hành và quản lý rất cao do cần phải
có:
- Vật liệu chế tạo chịu được áp suất cao;
- Bơm tạo được áp suất cao;
- Chi phí điện năng cao;
- Màng lọc phải thay thế thường xuyên do tắc nghẽn.
Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải giảm được áp lực cần cung cấp trong xử lý bằng RO.
Màng NF (
nanofilter
) là loại màng có kích thước lỗ nhỏ (10
-7
cm=10A
o
). Phân tử lượng bị chặn từ
200-500. Loại màng này thích hợp cho quá trình làm mềm nước, loại bỏ một số chất hữu cơ tan, áp

Sơ đồ vận chuyển các chất trong nước biển qua hệ thống màng lọc

Xét về khía cạnh kinh tế (giá thành màng lọc và áp suất động học tạo trên thành màng), thứ tự sắp
xếp các loại màng lọc như sau:
- Giá thành màng: RO > NF > UF > MF;
- Áp suất động học: RO > NF > UF > MF.

Bảng 3.

So sánh thông số thiết kế và làm việc của RO và NF
Thông số so sánh RO NF
Kích cỡ màng lọc (micron) 0.0001 đến 0.001 0.0008 đến 0.001
Kích cỡ của virus 0.005-0.01
Kích cỡ vi khuẩn 0.2-10
Loại bỏ được vi khuẩn và virus được được
Mức TDS giảm (%) 99% 70%
Mức giảm pH sau xử lý hơn 2 nhỏ hơn 1

Như vậy, những ưu điểm của màng NF là:
- Chí phí vận hành thấp;
- Chi phí năng lượng thấp;
- Lượng thải sau xử lý ít (so với RO);
- Giảm lượng tổng chất rắn hòa tan (TDS), đặc biệt hiệu quả trong nước lợ;
- Loại bỏ các chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, các hóa chất hữu cơ;
- Loại bỏ kim loại nặng, nitơrat và sulphate;
- Loại bỏ mầu, độ đục, làm mềm nước cứng;
- Không cần bất cứ hóa chất nào trong quá trình xử lý.
Các phương pháp siêu lọc (UF) và vi lọc (MF) không thể giữ lại được các phần tử ô nhiễm trong
nước cũng như các thành phần muối của nước biển. Như vậy xử lý nước biển bằng phương pháp NF
để được nước ăn uống theo quy định WHO hoặc theo QCVN 01:2009/BYT có chi phí đầu tư cũng
Siêu l
ọ
c (MF)L
ọ
c nano (NF)Nư
ớ
c Ion hóa tr
ị
I Ion hóa tr
ị
cao Virus Vi khu
ẩ
n Ch
ấ
t lơ l
ử
ngNư
ớ
c Ion hóa tr

Việc áp dụng màng NF được nghiên cứu rộng rãi với mục tiêu trên và đã đạt được nhiều thành tựu
quan trọng tại các nước như Mỹ, Nhật, Một số nghiên cứu đã thành công trong việc khử mặn nước
biển thành nước ăn uống bằng hệ thống lọc NF không có quá trình RO. Tiến sĩ Kamalesh Sirkar, Viện
Công nghệ New Jersey (NJIT), nghiên cứu phát triển một phương pháp mới khử mặn trong nước biển
bằng cách cho chưng bay hơi nước biển từ nguồn nhiệt lượng thấp giá rẻ; sau đó hơi nước tinh khiết
được dẫn qua ống lọc có màng nano để tạo thành nước ngọt. Quy trình trên đạt hiệu quả cao đối với
nước biển có nồng độ muối trên 5,5%.

Hình 2.
Sơ đồ nguyên tắc ngọt hóa nước biển theo phương pháp K. Sirkar

Tiến sĩ Vương D.X. (Mỹ), 2002, đã đề xuất công nghệ ngọt hóa nước biển bằng hệ thống lọc NF
hai bậc (hình 3). Theo sơ đồ này, bậc một của hệ thống xử lý có ít nhất là một bộ NF hiệu suất cao (3)
được bơm áp lực (2) cung cấp nước biển từ bể chứa (1). Nước lọc được bơm áp lực đợt hai (4) bơm
tiếp lên NF bậc 2 (5). Đây cũng là các bộ lọc NF hiệu suất cao. Áp suất hoạt động của các bộ NF nằm
trong khoảng 200 đến 300psi. 1
2
3
4
Nước ăn uống

Cặn đợt 1

Cặn đợt 2

5

uống. Gần đây ở Nam Phi, nhiều loại màng NF polime và màng RO đã được thử nghiệm để xử lý
nước lợ và nước biển.
Hiện nay, công nghệ nano phát triển mạnh ở các nước như Mỹ, Nhật Bản,… Ở Việt Nam, Viện
Nghiên cứu Khoa học Vật liệu đã chế tạo thành công và chào bán vật liệu nano (nano carbon tube -
NCT) với giá bằng 50% so với giá của nước ngoài (0,6USD/g). Khu công nghệ cao TP. HCM
cũng sản xuất 2,4 tấn NCT trong năm 2008. Nghiên cứu vật liệu ống nano carbon (CNT) có nhiều
triển vọng cả trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Màng lọc NF thị trường cũng đã được
nhập vào Việt Nam. Các thiết bị xử lý nước bằng màng NF cũng đã bắt đầu có thể chế tạo tại Việt
Nam.
Công nghệ nano phục vụ cho xử lý nước đã có mặt trên thị trường, với các loại màng NF khác
nhau. Mặc dù thế hệ thiết bị NF hiện nay có thể còn tương đối đơn giản, nhiều nhà nghiên cứu tin
tưởng rằng trong tương lai sẽ lợi dụng được nhiều đặc tính mới của vật liệu nano cho các thế hệ thiết
bị xử lý nước.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. NICHOLAS P. CHEREMISINOF. Membrane seperation technology.
In: